Wasser ist überall – es bedeckt den Grossteil der Erde, zirkuliert im menschlichen Körper und ist selbst in den kleinsten molekularen Nischen zu finden. Doch was passiert, wenn Wasser nicht frei fliesst, sondern in solchen Strukturen eingeschlossen ist?
Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Constructor University in Bremen haben erstmals nachgewiesen, dass «eingesperrtes» Wasser sein Umfeld beeinflussen und die Bindung zwischen Molekülen verstärken kann.
Ein Teil des Wassers auf der Erde befindet sich in winzigen Ecken und Winkeln – eingeschlossen in molekularen Taschen, wie Proteinbindungsstellen oder synthetischen Rezeptoren. Ob sich dieses Wasser in der Anwesenheit anderer Moleküle neutral verhält oder deren Bindung beeinflusst, war bisher umstritten. «Üblicherweise interagieren Wassermoleküle miteinander am stärksten. Jedoch zeigten experimentelle Daten, dass sich Wasser in solchen engen Taschen ungewöhnlich verhält», sagt Dr. Frank Biedermann vom Institut für Nanotechnologie des KIT. «Wir konnten nun den theoretischen Unterbau für diese Beobachtungen liefern und nachweisen, dass das Wasser in den molekularen Taschen energetisch angespannt ist.»
Die Forschenden nennen diesen Zustand «hochenergetisch» – nicht, weil das Wasser leuchtet oder sprudelt, sondern weil es sich in einem energiereicheren Zustand befindet als gewöhnliches Wasser. Hochenergetisches Wasser verhält sich nämlich wie Menschen in einem überfüllten Aufzug: Sobald sich die Tür öffnet, drängen sie hinaus. Genauso schiebt sich hochenergetisches Wasser aus der molekularen Tasche heraus, wenn ein anderes Molekül hineinkommt. Dabei drückt es den Neuankömmling an den freigewordenen Platz. Die Energie des Wassers verstärkt somit die Bindung zwischen dem neuen Molekül und der molekularen Tasche.
Vorhersage der Bindungskraft
Als Basis für ihre Studie nutzten die Forschenden das Wirtmolekül Cucurbit[8]uril. Dieses kann andere Moleküle, auch Gastmoleküle genannt, empfangen und ist aufgrund seiner hohen Symmetrie deutlich einfacher zu analysieren als sehr komplexe Systeme wie Proteine. «Je nach Gastmolekül konnten wir mit Computermodellen berechnen, wie viel zusätzliche Bindungskraft das hochenergetische Wasser liefert», erklärt Prof. Werner Nau von der Constructor University in Bremen. «Wir haben festgestellt: Je energetisch angespannter das Wasser ist, desto mehr unterstützt es die Bindung zwischen dem Gastmolekül und dem Wirt, wenn es austritt.»
Biedermann ergänzt: «Die gewonnenen Daten zeigen klar, dass das Konzept hochenergetischer Wassermoleküle physikalisch fundiert ist – und dass gerade diese Wassermoleküle eine zentrale treibende Kraft bei der Bildung molekularer Bindungen darstellen. Selbst natürliche Antikörper, etwa solche gegen SARS-CoV-2, könnten ihre Wirksamkeit teilweise der Art und Weise verdanken, wie sie Wassermoleküle in ihre Bindungstaschen hinein- und wieder herausbefördern.»
Für Medikamente oder neue Materialien nutzbar
Die Erkenntnisse von Biedermann und Nau könnten die Medizin sowie die Materialwissenschaften massgeblich beeinflussen. In der Arzneimittelentwicklung eröffnet die Identifizierung von hochenergetischem Wasser in Zielproteinen die Möglichkeit, Wirkstoffe gezielt so zu gestalten, dass sie dieses Wasser verdrängen, dessen Bindungskraft nutzen und dadurch stabiler im Protein verankert werden – was die Wirksamkeit des Medikaments verbessern kann. In der Materialwissenschaft könnte die Herstellung von Hohlräumen, die solches Wasser ausschliessen oder verdrängen, die Sensorik oder Speicherleistung verbessern.
Die Forschenden kombinierten für ihre Studie hochpräzise Kalorimetrie – eine Methode zur Messung der bei molekularen Vorgängen freigesetzten oder absorbierten Wärme – mit Computermodellen, die Dr. Jeffry Setiadi und Professor Michael K. Gilson an der University of California in San Diego erstellt haben. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition publiziert.
